JP2003083804A - 力検出装置 - Google Patents
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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- Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 容量変化を利用しない力検出装置を提供す
る。 【解決手段】 力検出装置１は、基板４に配置された硬
磁性薄膜６を備えている。ＭＲ薄膜７は、このＭＲ薄膜
７が硬磁性薄膜６から発生した磁場の影響下にあるよう
に基板４に配置されている。カンチレバー部材３は、振
動力に対応して振動するように取り付けられている。カ
ンチレバー部材３の振動によりＭＲ薄膜７が作用を受け
ている磁場が振動し、この磁場の振動によりＭＲ薄膜７
の電気的特性が振動変化する。この電気的特性の振動変
化は、カンチレバー部材３の振動に対応したものであ
る。
る。 【解決手段】 力検出装置１は、基板４に配置された硬
磁性薄膜６を備えている。ＭＲ薄膜７は、このＭＲ薄膜
７が硬磁性薄膜６から発生した磁場の影響下にあるよう
に基板４に配置されている。カンチレバー部材３は、振
動力に対応して振動するように取り付けられている。カ
ンチレバー部材３の振動によりＭＲ薄膜７が作用を受け
ている磁場が振動し、この磁場の振動によりＭＲ薄膜７
の電気的特性が振動変化する。この電気的特性の振動変
化は、カンチレバー部材３の振動に対応したものであ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、力の検出装置、マ
イクロホン、周波数フィルタ及びバンドパスフィルタに
関し、例えば、振動力を検出する装置に関する。
イクロホン、周波数フィルタ及びバンドパスフィルタに
関し、例えば、振動力を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】携帯あるいはモバイル通信機器の増加に
伴い、振動力（又はエネルギ）を電気信号に変換する振
動検出装置として機能するマイクロ電子機械装置（Micr
o-electro mechanical system：以下、ＭＥＭＳ装置と
いう。）に対する要求が高まっている。このようなＭＥ
ＭＳ装置には、マイクロホン及び周波数フィルタが含ま
れている。
伴い、振動力（又はエネルギ）を電気信号に変換する振
動検出装置として機能するマイクロ電子機械装置（Micr
o-electro mechanical system：以下、ＭＥＭＳ装置と
いう。）に対する要求が高まっている。このようなＭＥ
ＭＳ装置には、マイクロホン及び周波数フィルタが含ま
れている。
【０００３】多くのＭＥＭＳマイクロホンは、容量変化
を利用した検出原理を用いている。このタイプのマイク
ロホンは、一般的に、２枚の平行板から構成されてい
る。平行板の一方は、柔機構のダイアフラムであり、音
響エネルギを受けて動く。音響エネルギによって生じた
柔機構のダイアフラムの機械的振動の結果、平行板間の
容量が変化する。この容量変化が検出され、電気信号と
して出力される。
を利用した検出原理を用いている。このタイプのマイク
ロホンは、一般的に、２枚の平行板から構成されてい
る。平行板の一方は、柔機構のダイアフラムであり、音
響エネルギを受けて動く。音響エネルギによって生じた
柔機構のダイアフラムの機械的振動の結果、平行板間の
容量が変化する。この容量変化が検出され、電気信号と
して出力される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな容量変化を利用した検出装置は、多くの場合、高い
ＤＣバイアス電圧を必要とする静電的な検出方法を用い
ている。さらに、このような検出装置の検出感度は容量
変化にのみ依存しているため、高感度の検出装置を製造
することは難しい。また、上述したような従来の検出装
置は、個別の装置に合わせてシリコンウェーハを成形す
ることで製造されている。したがって、製品が完成した
後に、感度を調整することは非常に難しく、あるいは調
整が全くできない場合もある。
うな容量変化を利用した検出装置は、多くの場合、高い
ＤＣバイアス電圧を必要とする静電的な検出方法を用い
ている。さらに、このような検出装置の検出感度は容量
変化にのみ依存しているため、高感度の検出装置を製造
することは難しい。また、上述したような従来の検出装
置は、個別の装置に合わせてシリコンウェーハを成形す
ることで製造されている。したがって、製品が完成した
後に、感度を調整することは非常に難しく、あるいは調
整が全くできない場合もある。
【０００５】本発明は、上述した問題に鑑みてなされた
ものであり、本発明の目的は、上述のような容量変化を
利用しない力検出装置を提供することである。また、検
出対象として振動力を検出することが望まれている。
ものであり、本発明の目的は、上述のような容量変化を
利用しない力検出装置を提供することである。また、検
出対象として振動力を検出することが望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の一実施形態における力検出装置は、基板
に配置された磁化部材と、磁化部材により生じた磁場か
らの影響を受けるよう基板に配置された磁気電気（magn
eto-electrical）材料体と、印加された力に応じて変位
可能に取り付けられた可動部材とを備える。可動部材の
動きにより磁気電気材料体に作用する磁場の変化が生
じ、可動部材の動きにより生じた磁気電気材料体に作用
する磁場の変化に応じて磁気電気材料体の電気的特性が
変化する。
めに、本発明の一実施形態における力検出装置は、基板
に配置された磁化部材と、磁化部材により生じた磁場か
らの影響を受けるよう基板に配置された磁気電気（magn
eto-electrical）材料体と、印加された力に応じて変位
可能に取り付けられた可動部材とを備える。可動部材の
動きにより磁気電気材料体に作用する磁場の変化が生
じ、可動部材の動きにより生じた磁気電気材料体に作用
する磁場の変化に応じて磁気電気材料体の電気的特性が
変化する。
【０００７】本願明細書において、「磁気電気材料体」
とは、特定の部材や材料に限定されるものではなく、変
化する磁場中に配置された場合に、電気的特性が変化す
るものであれば任意の部材や材料を用いてもよい。
とは、特定の部材や材料に限定されるものではなく、変
化する磁場中に配置された場合に、電気的特性が変化す
るものであれば任意の部材や材料を用いてもよい。
【０００８】より好ましくは、磁気電気材料体は、例え
ば異方性磁気抵抗効果材料、巨大磁気抵抗効果（giant
magneto resistive：ＧＭＲ）材料あるいはトンネル磁
気抵抗効果（tunnel magneto resistive：以下、ＴＭＲ
という。）材料等の磁気抵抗材料を備える構成としても
よい。また、磁気電気材料体は、ホール効果材料、誘導
型センサ（inductive sensor）、磁気インピーダンスセ
ンサを備える構成としてもよい。
ば異方性磁気抵抗効果材料、巨大磁気抵抗効果（giant
magneto resistive：ＧＭＲ）材料あるいはトンネル磁
気抵抗効果（tunnel magneto resistive：以下、ＴＭＲ
という。）材料等の磁気抵抗材料を備える構成としても
よい。また、磁気電気材料体は、ホール効果材料、誘導
型センサ（inductive sensor）、磁気インピーダンスセ
ンサを備える構成としてもよい。
【０００９】また、上述の力検出装置は、マイクロ電子
機械装置であってもよく、またシリコンウェーハなどの
適切な基板から成形された単一チップ又はダイに形成さ
れるものでもよい。この場合、磁化部材は、基板の一部
に形成された永久磁化膜から構成されていることが望ま
しい。また、磁気電気材料体は、磁気抵抗合金膜のよう
に、基板に形成された薄膜の形状に構成されていてもよ
い。多くの場合、永久磁化膜は、コバルト合金あるいは
鉄合金で構成してもよい。本発明での使用に適している
合金としては、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃ
ｏＣｒＴａ、γ−Ｆｅ２Ｏ３等がある。
機械装置であってもよく、またシリコンウェーハなどの
適切な基板から成形された単一チップ又はダイに形成さ
れるものでもよい。この場合、磁化部材は、基板の一部
に形成された永久磁化膜から構成されていることが望ま
しい。また、磁気電気材料体は、磁気抵抗合金膜のよう
に、基板に形成された薄膜の形状に構成されていてもよ
い。多くの場合、永久磁化膜は、コバルト合金あるいは
鉄合金で構成してもよい。本発明での使用に適している
合金としては、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、Ｃ
ｏＣｒＴａ、γ−Ｆｅ２Ｏ３等がある。
【００１０】本実施形態によれば、磁化部材は、可動部
材に搭載されており、可動部材の動きに応じて磁石（磁
化部材）が動くことで、磁気電気材料体が影響を受けて
いる磁場に変化が生じる。
材に搭載されており、可動部材の動きに応じて磁石（磁
化部材）が動くことで、磁気電気材料体が影響を受けて
いる磁場に変化が生じる。
【００１１】本発明の他の実施形態では、上述の実施形
態の力検出装置において、磁化部材と可動部材とを別々
に設け、可動部材を軟磁性体（あるいは非永久磁性体）
で構成する。
態の力検出装置において、磁化部材と可動部材とを別々
に設け、可動部材を軟磁性体（あるいは非永久磁性体）
で構成する。
【００１２】力検出装置は、主に振動力を検出するため
のものであるが、加速度や圧力の変化などの非振動力の
検出にも使用することができる。なお、可動部材をカン
チレバー部材状あるいは可逆的に変形可能なダイアフラ
ム状に形成することが望ましい。
のものであるが、加速度や圧力の変化などの非振動力の
検出にも使用することができる。なお、可動部材をカン
チレバー部材状あるいは可逆的に変形可能なダイアフラ
ム状に形成することが望ましい。
【００１３】可動部材は、交流電気信号の印加により生
じた静電的振動力に応じて振動する場合（例えば力検出
装置が周波数フィルタとして機能する場合）、可動部材
をカンチレバー形状の部材、ピボット形状の部材、直線
方向に移動可能な部材などで構成するとよい。磁化部材
は、主に可動部材に搭載されることが望ましい。
じた静電的振動力に応じて振動する場合（例えば力検出
装置が周波数フィルタとして機能する場合）、可動部材
をカンチレバー形状の部材、ピボット形状の部材、直線
方向に移動可能な部材などで構成するとよい。磁化部材
は、主に可動部材に搭載されることが望ましい。
【００１４】また、磁化部材を磁気電気材料体に対して
固定されるよう配置してもよい。さらに、非永久磁性体
を備えた可動部材を磁化部材と検出装置との間に搭載
し、印加された交流電気信号に応じて磁化部材及び磁気
電気材料体に対して変位する構成として、磁気電気材料
体が影響を受ける磁場に変化を生じさせるようにしても
よい。
固定されるよう配置してもよい。さらに、非永久磁性体
を備えた可動部材を磁化部材と検出装置との間に搭載
し、印加された交流電気信号に応じて磁化部材及び磁気
電気材料体に対して変位する構成として、磁気電気材料
体が影響を受ける磁場に変化を生じさせるようにしても
よい。
【００１５】力検出装置が周波数フィルタとして使用さ
れる場合、可動部材は、フィルタとして通過すべき周波
数に対応する共振周波数を有するものとすることが望ま
しい。
れる場合、可動部材は、フィルタとして通過すべき周波
数に対応する共振周波数を有するものとすることが望ま
しい。
【００１６】多くの場合、複数の力検出装置を接続する
ことでバンドパスフィルタを構成することができる。こ
こで、各力検出装置の可動部材は異なる共振周波数を有
するものとする。
ことでバンドパスフィルタを構成することができる。こ
こで、各力検出装置の可動部材は異なる共振周波数を有
するものとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を参照して説明する。
を参照して説明する。
【００１８】図１及び図２は、力検出装置１の動作原理
を示す模式的な平面図及び側面図である。本実施形態の
力検出装置１は、カンチレバー部材３を支持する支持部
２を備えている。支持部２は基板４に搭載されており、
この基板４にはセンサ支持部５も搭載されている。
を示す模式的な平面図及び側面図である。本実施形態の
力検出装置１は、カンチレバー部材３を支持する支持部
２を備えている。支持部２は基板４に搭載されており、
この基板４にはセンサ支持部５も搭載されている。
【００１９】カンチレバー部材３には、その表面に形成
された硬磁性（永久磁性）薄膜６が設けられている。セ
ンサ支持部５には、当該センサ支持部５の表面最上部に
形成された、磁気抵抗（magneto resistive：以下、Ｍ
Ｒという。）材料からなる薄膜７と２つの接続用電極１
２とが設けられている。なお、ＭＲ薄膜７と硬磁性薄膜
６は、分離された状態で近接配置されている。
された硬磁性（永久磁性）薄膜６が設けられている。セ
ンサ支持部５には、当該センサ支持部５の表面最上部に
形成された、磁気抵抗（magneto resistive：以下、Ｍ
Ｒという。）材料からなる薄膜７と２つの接続用電極１
２とが設けられている。なお、ＭＲ薄膜７と硬磁性薄膜
６は、分離された状態で近接配置されている。
【００２０】カンチレバー部材３が矢印８のいずれかの
方向に変位する場合、ＭＲ薄膜７が影響を受けている磁
場に変化が生じ、ＭＲ薄膜７の抵抗値が変化する。この
抵抗変化は、接続用電極１２を介してＭＲ薄膜７に注入
されたバイアス電流９の変化として検出することができ
る。抵抗変化（すなわちバイアス電流９の変化）は、カ
ンチレバー部材３の変位に対応する。したがって、カン
チレバー部材３の機械的変位に対応して、本実施形態の
力検出装置１は電気的出力を生成する。
方向に変位する場合、ＭＲ薄膜７が影響を受けている磁
場に変化が生じ、ＭＲ薄膜７の抵抗値が変化する。この
抵抗変化は、接続用電極１２を介してＭＲ薄膜７に注入
されたバイアス電流９の変化として検出することができ
る。抵抗変化（すなわちバイアス電流９の変化）は、カ
ンチレバー部材３の変位に対応する。したがって、カン
チレバー部材３の機械的変位に対応して、本実施形態の
力検出装置１は電気的出力を生成する。
【００２１】カンチレバー部材３の共振周波数は、カン
チレバー部材３の機械的な構造に依存している。カンチ
レバー部材３の振動における典型的な周波数と振幅との
関係を図３に示す。一般的に言って、カンチレバー部材
３は、領域１０において近似的にフラットな応答を示
し、その後、領域１１のピークへ向けて上昇した後、減
衰する。したがって、フラット領域１０は、本実施形態
の力検出装置１をマイクロホンとして使用する場合に利
用することができ、また、ピーク領域１１は、本実施形
態の装置を表面弾性波（surface acoustic wave：ＳＡ
Ｗ）フィルタなどの周波数フィルタとして使用する場合
に利用することができる。通常、磁気抵抗型のセンサの
応答速度は速いため、本実施形態の力検出装置１を最高
ＧＨｚのオーダーまでの周波数領域における周波数フィ
ルタとして使用することが可能である。この周波数領域
は、中間周波数及び無線周波数の両方をカバーする。
チレバー部材３の機械的な構造に依存している。カンチ
レバー部材３の振動における典型的な周波数と振幅との
関係を図３に示す。一般的に言って、カンチレバー部材
３は、領域１０において近似的にフラットな応答を示
し、その後、領域１１のピークへ向けて上昇した後、減
衰する。したがって、フラット領域１０は、本実施形態
の力検出装置１をマイクロホンとして使用する場合に利
用することができ、また、ピーク領域１１は、本実施形
態の装置を表面弾性波（surface acoustic wave：ＳＡ
Ｗ）フィルタなどの周波数フィルタとして使用する場合
に利用することができる。通常、磁気抵抗型のセンサの
応答速度は速いため、本実施形態の力検出装置１を最高
ＧＨｚのオーダーまでの周波数領域における周波数フィ
ルタとして使用することが可能である。この周波数領域
は、中間周波数及び無線周波数の両方をカバーする。
【００２２】図４は、図１及び図２で示した本実施形態
の力検出装置１の動作原理を使用した第１の実施例であ
るマイクロホン２０の断面図である。マイクロホン２０
は、カンチレバー支持部２２に取り付けられたカンチレ
バー部材２１を備えている。カンチレバー部材２１には
硬磁性膜２３が形成され、センサ支持部２５には磁気抵
抗膜２４が形成されている。
の力検出装置１の動作原理を使用した第１の実施例であ
るマイクロホン２０の断面図である。マイクロホン２０
は、カンチレバー支持部２２に取り付けられたカンチレ
バー部材２１を備えている。カンチレバー部材２１には
硬磁性膜２３が形成され、センサ支持部２５には磁気抵
抗膜２４が形成されている。
【００２３】図４に示すように、音波２６は、カンチレ
バー部材２１に入射する。カンチレバー部材２１におい
てフラット領域１０が２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚである
と想定すると、カンチレバー部材２１は、音波２６の入
射を受けて振動し、この振動に対応して磁気抵抗膜２４
の抵抗値が変化する。その結果生じたバイアス電流の振
動は、カンチレバー部材２１に入射した音波２６に直接
対応するものである。したがって、マイクロホン２０は
音波２６を電気出力信号に変換する。
バー部材２１に入射する。カンチレバー部材２１におい
てフラット領域１０が２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚである
と想定すると、カンチレバー部材２１は、音波２６の入
射を受けて振動し、この振動に対応して磁気抵抗膜２４
の抵抗値が変化する。その結果生じたバイアス電流の振
動は、カンチレバー部材２１に入射した音波２６に直接
対応するものである。したがって、マイクロホン２０は
音波２６を電気出力信号に変換する。
【００２４】図５は、本発明の第２の実施例であるマイ
クロホン３０の断面図である。マイクロホン３０は、２
つの支持部材３１、３２を備え、これらの支持部材３
１、３２は、硬磁性膜３４が表面に形成されているダイ
アフラム３３を支持している。支持部材３１、３２のそ
れぞれには、ダイアフラム３３の上方に位置するように
当該支持部材３１、３２から伸びた２つの支持突出部３
５、３６が設けられており、これらの支持突出部３５、
３６にはそれぞれ磁気抵抗膜３７が形成されている。ダ
イアフラム３３は、入射してきた音波２６に応じて屈曲
可能に構成されている。音波２６により、ダイアフラム
３３及び硬磁性膜３４が振動し、その結果、磁気抵抗膜
３７が影響を受けている磁場に変化が生じる。この磁気
抵抗膜３７が影響を受けている磁場の変化により、磁気
抵抗膜３７の抵抗値が振動変化し、この結果、磁気抵抗
膜３７に注入されるバイアス電流が振動変化する。この
バイアス電流における振動変化は、ダイアフラム３３に
入射した音波２６の振動に直接対応している。したがっ
て、マイクロホン３０は音波２６を電気出力信号に変換
する。
クロホン３０の断面図である。マイクロホン３０は、２
つの支持部材３１、３２を備え、これらの支持部材３
１、３２は、硬磁性膜３４が表面に形成されているダイ
アフラム３３を支持している。支持部材３１、３２のそ
れぞれには、ダイアフラム３３の上方に位置するように
当該支持部材３１、３２から伸びた２つの支持突出部３
５、３６が設けられており、これらの支持突出部３５、
３６にはそれぞれ磁気抵抗膜３７が形成されている。ダ
イアフラム３３は、入射してきた音波２６に応じて屈曲
可能に構成されている。音波２６により、ダイアフラム
３３及び硬磁性膜３４が振動し、その結果、磁気抵抗膜
３７が影響を受けている磁場に変化が生じる。この磁気
抵抗膜３７が影響を受けている磁場の変化により、磁気
抵抗膜３７の抵抗値が振動変化し、この結果、磁気抵抗
膜３７に注入されるバイアス電流が振動変化する。この
バイアス電流における振動変化は、ダイアフラム３３に
入射した音波２６の振動に直接対応している。したがっ
て、マイクロホン３０は音波２６を電気出力信号に変換
する。
【００２５】図６及び図７は、それぞれ本発明を適用し
た周波数フィルタの平面図及び側面図である。フィルタ
４０は、交流電圧源（oscillating voltage source）４
２に接続された固定電極４１と、可逆的に変形可能なフ
レキシブル支持部４６によって２つの支持部材４４、４
５の間に配置された可動電極４３とを備えている。フレ
キシブル支持部４６は、可動電極４３が印加された力に
応じて矢印４７の方向に変位することができるように構
成されている。フィルタ４０は、２つの電極４９の間に
配置された磁気抵抗膜４８をさらに備えている。可動電
極４３は、支持部材４４及びキャパシタ５０を介して、
グランド端子５１と電気的に接続されている。可動電極
４３は、磁気抵抗膜４８に近接して当該可動電極４３の
一部に形成された硬磁性膜５２を備えており、この磁気
抵抗膜４８は、硬磁性膜５２による磁場の影響下にあ
る。
た周波数フィルタの平面図及び側面図である。フィルタ
４０は、交流電圧源（oscillating voltage source）４
２に接続された固定電極４１と、可逆的に変形可能なフ
レキシブル支持部４６によって２つの支持部材４４、４
５の間に配置された可動電極４３とを備えている。フレ
キシブル支持部４６は、可動電極４３が印加された力に
応じて矢印４７の方向に変位することができるように構
成されている。フィルタ４０は、２つの電極４９の間に
配置された磁気抵抗膜４８をさらに備えている。可動電
極４３は、支持部材４４及びキャパシタ５０を介して、
グランド端子５１と電気的に接続されている。可動電極
４３は、磁気抵抗膜４８に近接して当該可動電極４３の
一部に形成された硬磁性膜５２を備えており、この磁気
抵抗膜４８は、硬磁性膜５２による磁場の影響下にあ
る。
【００２６】使用に際して、交流電圧源４２から固定電
極４１に交流電圧が印加された場合、可動電極４３と固
定電極４１との間の静電気力が生じ、この印加された交
流電圧に応じて可動電極４３が振動変位する。矢印４７
の方向に沿った可動電極４３の振動により、磁気抵抗膜
４８が位置している磁場が変化し、磁気抵抗膜４８の抵
抗値が振動変化する。この抵抗変化は、電極４９を介し
て磁気抵抗膜４８に注入されたバイアス電流５３をモニ
タすることによって検出することができる。可動電極４
３がある特定の周波数で共振するように、可動電極４３
及びフレキシブル支持部４６の機械的な構造が決定され
ている場合には、可動電極４３は、特定の周波数で振動
し、バイアス電流５３も特定の周波数で振動する。した
がって、交流電圧源４２における他の周波数成分は、フ
ィルタ４０によりブロックあるいは減衰される。
極４１に交流電圧が印加された場合、可動電極４３と固
定電極４１との間の静電気力が生じ、この印加された交
流電圧に応じて可動電極４３が振動変位する。矢印４７
の方向に沿った可動電極４３の振動により、磁気抵抗膜
４８が位置している磁場が変化し、磁気抵抗膜４８の抵
抗値が振動変化する。この抵抗変化は、電極４９を介し
て磁気抵抗膜４８に注入されたバイアス電流５３をモニ
タすることによって検出することができる。可動電極４
３がある特定の周波数で共振するように、可動電極４３
及びフレキシブル支持部４６の機械的な構造が決定され
ている場合には、可動電極４３は、特定の周波数で振動
し、バイアス電流５３も特定の周波数で振動する。した
がって、交流電圧源４２における他の周波数成分は、フ
ィルタ４０によりブロックあるいは減衰される。
【００２７】図８、図９は、本発明を適用した周波数フ
ィルタの第２の実施例であるフィルタ６０の平面図、側
面図である。フィルタ６０は、固定電極６１が可動電極
６３の端部６２の下方に設けられているという点を除
き、上述したフィルタ４０と同様に動作する。可動電極
６３は、可逆的に変形可能なフレキシブル支持部６４に
より支持部材４４、４５上に支持されている。
ィルタの第２の実施例であるフィルタ６０の平面図、側
面図である。フィルタ６０は、固定電極６１が可動電極
６３の端部６２の下方に設けられているという点を除
き、上述したフィルタ４０と同様に動作する。可動電極
６３は、可逆的に変形可能なフレキシブル支持部６４に
より支持部材４４、４５上に支持されている。
【００２８】この実施例においては、固定電極６１に印
加された交流電圧源４２により、可動電極６３には矢印
６５の方向に沿ったピボット変位が生じる。このため、
硬磁性膜５２は、磁気抵抗膜４８に対して上下方向に振
動し、磁気抵抗膜４８の抵抗値を振動変化させる。可動
電極６３がある特定の周波数で共振するように可動電極
６３及びフレキシブル支持部６４の機械的な構造が決定
されている場合、フィルタ６０は、バイアス電流５３の
振動を検出することで、特定の周波数を通過させるとと
もに、交流電圧源４２の他の周波数成分をブロックある
いは減衰させる周波数フィルタとして機能する。
加された交流電圧源４２により、可動電極６３には矢印
６５の方向に沿ったピボット変位が生じる。このため、
硬磁性膜５２は、磁気抵抗膜４８に対して上下方向に振
動し、磁気抵抗膜４８の抵抗値を振動変化させる。可動
電極６３がある特定の周波数で共振するように可動電極
６３及びフレキシブル支持部６４の機械的な構造が決定
されている場合、フィルタ６０は、バイアス電流５３の
振動を検出することで、特定の周波数を通過させるとと
もに、交流電圧源４２の他の周波数成分をブロックある
いは減衰させる周波数フィルタとして機能する。
【００２９】図１０、図１１は、本発明を適用した周波
数フィルタの第３の実施例であるフィルタ７０を示して
いる。フィルタ７０では、カンチレバー支持部７２にカ
ンチレバー部材７１が支持されている。カンチレバー部
材７１には、当該カンチレバー部材７１の端部に形成さ
れた硬磁性膜７３が設けられており、この硬磁性膜７３
は、支持部材７５に形成された磁気抵抗膜７４に近接し
て配置されている。カンチレバー部材７１のもう一方の
端部は、ＳｉＯ２膜及びアルミニウム膜の多層膜を備え
て構成されている。さらに、カンチレバー部材７１は、
外側に突出した４つの突出部７６を備えており、この突
出部７６は、交流電圧源４２に接続された固定電極７７
の内部に位置するよう構成されている。
数フィルタの第３の実施例であるフィルタ７０を示して
いる。フィルタ７０では、カンチレバー支持部７２にカ
ンチレバー部材７１が支持されている。カンチレバー部
材７１には、当該カンチレバー部材７１の端部に形成さ
れた硬磁性膜７３が設けられており、この硬磁性膜７３
は、支持部材７５に形成された磁気抵抗膜７４に近接し
て配置されている。カンチレバー部材７１のもう一方の
端部は、ＳｉＯ２膜及びアルミニウム膜の多層膜を備え
て構成されている。さらに、カンチレバー部材７１は、
外側に突出した４つの突出部７６を備えており、この突
出部７６は、交流電圧源４２に接続された固定電極７７
の内部に位置するよう構成されている。
【００３０】上述のＳｉＯ２／Ａｌ膜が設けられた理由
は、図１１に示すように、静電気力がｘ方向に沿って適
用された場合、カンチレバー部材７１がｚ方向の上方向
へ屈曲できるようにするためである。カンチレバー部材
７１の屈曲は、ＳｉＯ２膜とアルミニウム膜とにおける
材料特性の違いによって生じるもので、この性質につい
ては、Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 21, pp
3139-3141, 2000に説明されている。
は、図１１に示すように、静電気力がｘ方向に沿って適
用された場合、カンチレバー部材７１がｚ方向の上方向
へ屈曲できるようにするためである。カンチレバー部材
７１の屈曲は、ＳｉＯ２膜とアルミニウム膜とにおける
材料特性の違いによって生じるもので、この性質につい
ては、Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 21, pp
3139-3141, 2000に説明されている。
【００３１】したがって、突出部７６及びカンチレバー
部材７１は、固定電極７７に印加された交流電圧源４２
に応じて振動する可動電極を構成する。カンチレバー部
材７１の振動、すなわち硬磁性膜７３の振動により、こ
の振動に対応して磁気抵抗膜７４の抵抗値が振動する。
カンチレバー部材７１がある特定の周波数で共振するよ
うに構成されている場合、フィルタ７０は、この特定の
周波数を通過させ、それ以外の周波数成分をブロックあ
るいは最小にするよう動作する。
部材７１は、固定電極７７に印加された交流電圧源４２
に応じて振動する可動電極を構成する。カンチレバー部
材７１の振動、すなわち硬磁性膜７３の振動により、こ
の振動に対応して磁気抵抗膜７４の抵抗値が振動する。
カンチレバー部材７１がある特定の周波数で共振するよ
うに構成されている場合、フィルタ７０は、この特定の
周波数を通過させ、それ以外の周波数成分をブロックあ
るいは最小にするよう動作する。
【００３２】図１２及び図１３は、それぞれ本発明を適
用したフィルタ８０の平面図及び側面図である。フィル
タ８０は、硬磁性膜８３、磁気抵抗膜８４がそれぞれ形
成されている支持部材８１、８２を備えている。硬磁性
膜８３と磁気抵抗膜８４との間には、軟磁性（非永久磁
性）膜８６が形成されている可動電極８５が配置され
る。軟磁性膜８６は、例えばＮｉＦｅ又はＣｏＺｒＮｂ
で構成される。可動電極８５は、固定電極８８に対して
相対的に矢印８７の方向へ変位可能であるように取り付
けられている。硬磁性膜８３からの磁場が磁気抵抗膜８
４を通過することができるように、磁気抵抗膜８４は、
硬磁性膜８３の近くに配置されている。交流電圧源４２
から固定電極８８に印加された交流電圧に応じて、可動
電極８５は矢印８７の方向に振動する。硬磁性膜８３に
よって生じた磁場中で軟磁性膜８６が振動することによ
り、磁気抵抗膜８４が影響を受けている磁場に振動変化
が生じ、この振動変化に対応して磁気抵抗膜８４の抵抗
値が振動する。可動電極８５がある特定の周波数で共振
するよう構成されている場合、フィルタ８０は、バイア
ス電流５３における交流出力信号を用いることで、この
特定の周波数を通過させる周波数フィルタとして動作す
るとともに、その他の周波数成分をブロックあるいは最
小化するよう動作する。
用したフィルタ８０の平面図及び側面図である。フィル
タ８０は、硬磁性膜８３、磁気抵抗膜８４がそれぞれ形
成されている支持部材８１、８２を備えている。硬磁性
膜８３と磁気抵抗膜８４との間には、軟磁性（非永久磁
性）膜８６が形成されている可動電極８５が配置され
る。軟磁性膜８６は、例えばＮｉＦｅ又はＣｏＺｒＮｂ
で構成される。可動電極８５は、固定電極８８に対して
相対的に矢印８７の方向へ変位可能であるように取り付
けられている。硬磁性膜８３からの磁場が磁気抵抗膜８
４を通過することができるように、磁気抵抗膜８４は、
硬磁性膜８３の近くに配置されている。交流電圧源４２
から固定電極８８に印加された交流電圧に応じて、可動
電極８５は矢印８７の方向に振動する。硬磁性膜８３に
よって生じた磁場中で軟磁性膜８６が振動することによ
り、磁気抵抗膜８４が影響を受けている磁場に振動変化
が生じ、この振動変化に対応して磁気抵抗膜８４の抵抗
値が振動する。可動電極８５がある特定の周波数で共振
するよう構成されている場合、フィルタ８０は、バイア
ス電流５３における交流出力信号を用いることで、この
特定の周波数を通過させる周波数フィルタとして動作す
るとともに、その他の周波数成分をブロックあるいは最
小化するよう動作する。
【００３３】図１４は、本発明を適用した第５の実施例
であるフィルタ９０の斜視図である。フィルタ９０は、
磁気抵抗膜９３と、この磁気抵抗膜９３を介してバイア
ス電流５３を注入するための一対の電極９４とがそれぞ
れ形成された固定支持部９１、９２を備える。固定支持
部９１、９２の間には、交流信号源４２に接続された導
体の可動電極９５が配置されており、可動電極９５には
硬磁性膜９７が形成されている。可動電極９５は、グラ
ンド電極９６及び磁気抵抗膜９３に対して垂直方向に沿
って振動できるよう取り付けられている。したがって、
交流信号源４２が可動電極９５に印加されると、可動電
極９５が垂直方向に振動する。この振動に対応して、磁
気抵抗膜９３に影響を与えている磁場に振動変化が生
じ、その結果、磁気抵抗膜９３の抵抗値が振動変化す
る。磁気抵抗膜９３の抵抗値における振動は、磁気抵抗
膜９３を介して注入されたバイアス電流５３における交
流信号として検出できる。可動電極９５がある特定の周
波数で共振するように、可動電極９５の機械的構造及び
可動電極９５の搭載形態が予め決定されている場合に
は、フィルタ９０は、交流信号源４２からのこの特定の
周波数だけを通過させ、それ以外の周波数についてはブ
ロック又は最小化する。
であるフィルタ９０の斜視図である。フィルタ９０は、
磁気抵抗膜９３と、この磁気抵抗膜９３を介してバイア
ス電流５３を注入するための一対の電極９４とがそれぞ
れ形成された固定支持部９１、９２を備える。固定支持
部９１、９２の間には、交流信号源４２に接続された導
体の可動電極９５が配置されており、可動電極９５には
硬磁性膜９７が形成されている。可動電極９５は、グラ
ンド電極９６及び磁気抵抗膜９３に対して垂直方向に沿
って振動できるよう取り付けられている。したがって、
交流信号源４２が可動電極９５に印加されると、可動電
極９５が垂直方向に振動する。この振動に対応して、磁
気抵抗膜９３に影響を与えている磁場に振動変化が生
じ、その結果、磁気抵抗膜９３の抵抗値が振動変化す
る。磁気抵抗膜９３の抵抗値における振動は、磁気抵抗
膜９３を介して注入されたバイアス電流５３における交
流信号として検出できる。可動電極９５がある特定の周
波数で共振するように、可動電極９５の機械的構造及び
可動電極９５の搭載形態が予め決定されている場合に
は、フィルタ９０は、交流信号源４２からのこの特定の
周波数だけを通過させ、それ以外の周波数についてはブ
ロック又は最小化する。
【００３４】図１５は、本発明を適用した第６の実施例
である、可動電極１０７上に形成された硬磁性膜１０１
を備えるフィルタ１００の側面図である。可動電極１０
７は、固定電極１０２とベース機構との間に変位可能に
取り付けられており、このベース機構は、グランド電極
１０３と、トンネル磁気抵抗（tunnel magneto resisti
ve：以下、ＴＭＲという。）膜１０４と、ＴＭＲ膜１０
４用の電極１０５とを備えている。この実施例では、固
定電極１０２に印加された交流信号源４２により、可動
電極１０７（すなわち硬磁性膜１０１）は、矢印１０６
方向に沿って振動し、ＴＭＲ膜１０４に影響を与えてい
る磁場が振動する。よって上述の実施例と同じように、
ＴＭＲ膜１０４が影響を受けている磁場における振動変
化に対応してＴＭＲ膜１０４の抵抗値が振動する。この
抵抗値の振動は、電極１０５を介してＴＭＲ膜１０４に
注入されたバイアス電流５３における交流信号として検
出することができる。可動電極１０７の機械的構造があ
る特定の周波数で共振するように決定されている場合、
フィルタ１００は、交流信号源４２からのこの特定の周
波数を通過させるとともに、交流信号源４２からの他の
周波数成分をブロックあるいは最小化するよう動作す
る。
である、可動電極１０７上に形成された硬磁性膜１０１
を備えるフィルタ１００の側面図である。可動電極１０
７は、固定電極１０２とベース機構との間に変位可能に
取り付けられており、このベース機構は、グランド電極
１０３と、トンネル磁気抵抗（tunnel magneto resisti
ve：以下、ＴＭＲという。）膜１０４と、ＴＭＲ膜１０
４用の電極１０５とを備えている。この実施例では、固
定電極１０２に印加された交流信号源４２により、可動
電極１０７（すなわち硬磁性膜１０１）は、矢印１０６
方向に沿って振動し、ＴＭＲ膜１０４に影響を与えてい
る磁場が振動する。よって上述の実施例と同じように、
ＴＭＲ膜１０４が影響を受けている磁場における振動変
化に対応してＴＭＲ膜１０４の抵抗値が振動する。この
抵抗値の振動は、電極１０５を介してＴＭＲ膜１０４に
注入されたバイアス電流５３における交流信号として検
出することができる。可動電極１０７の機械的構造があ
る特定の周波数で共振するように決定されている場合、
フィルタ１００は、交流信号源４２からのこの特定の周
波数を通過させるとともに、交流信号源４２からの他の
周波数成分をブロックあるいは最小化するよう動作す
る。
【００３５】上述した各実施例において硬磁性膜には、
当該アプリケーションに適合した任意の硬磁性膜部材を
用いることができる。例えば、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、Ｃ
ｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ等のコバルト合金あるいはγ
−Ｆｅ２Ｏ３等の鉄合金を用いることができる。なお、
上述の実施例においては、磁気電気材料体が磁気抵抗材
料、あるいはフィルタ１００の場合は磁気電気材料体が
ＴＭＲ材料であったが、任意の適切な磁気電気材料体を
用いることができる。例えば、検出に用いる材料として
は、ホールセンサ、誘導センサ、あるいは磁気インピー
ダンス（ＭＩ）センサを用いることができる。
当該アプリケーションに適合した任意の硬磁性膜部材を
用いることができる。例えば、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、Ｃ
ｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ等のコバルト合金あるいはγ
−Ｆｅ２Ｏ３等の鉄合金を用いることができる。なお、
上述の実施例においては、磁気電気材料体が磁気抵抗材
料、あるいはフィルタ１００の場合は磁気電気材料体が
ＴＭＲ材料であったが、任意の適切な磁気電気材料体を
用いることができる。例えば、検出に用いる材料として
は、ホールセンサ、誘導センサ、あるいは磁気インピー
ダンス（ＭＩ）センサを用いることができる。
【００３６】なお、上述した全てのマイクロホン及びフ
ィルタは、マイクロ電子機械装置（ＭＥＭＳ）技術を用
いて作製されることが望ましい。本発明によれば、これ
らの装置を単一のダイ上に形成でき、１枚のシリコンウ
ェーハにこのようなダイを複数形成することができると
いう利点があり、この利点によって、マイクロホン及び
フィルタの大量生産を可能とすることができる。さら
に、本発明によれば、磁場強度や硬磁性膜の方向を変更
することにより、マイクロホン及びフィルタの感度を調
整することができるという利点もある。
ィルタは、マイクロ電子機械装置（ＭＥＭＳ）技術を用
いて作製されることが望ましい。本発明によれば、これ
らの装置を単一のダイ上に形成でき、１枚のシリコンウ
ェーハにこのようなダイを複数形成することができると
いう利点があり、この利点によって、マイクロホン及び
フィルタの大量生産を可能とすることができる。さら
に、本発明によれば、磁場強度や硬磁性膜の方向を変更
することにより、マイクロホン及びフィルタの感度を調
整することができるという利点もある。
【００３７】上述したマイクロホン及びフィルタは、
０．５Ｖの印加電圧で約３．５ｍＶ／Ｐａの感度を得る
ことができるという利点を備えている。この値は、５０
Ωの抵抗と２．７％のΔρ／ρとを有する一般的な磁気
抵抗材料を用いることで得られたものである。この値
は、上述と同様な感度を得るために従来の容量型の検出
装置に印加すべき電圧の約１０％である。
０．５Ｖの印加電圧で約３．５ｍＶ／Ｐａの感度を得る
ことができるという利点を備えている。この値は、５０
Ωの抵抗と２．７％のΔρ／ρとを有する一般的な磁気
抵抗材料を用いることで得られたものである。この値
は、上述と同様な感度を得るために従来の容量型の検出
装置に印加すべき電圧の約１０％である。
【００３８】図１６は、図１４に示したフィルタと同様
な構成を用いたバンドパスフィルタの一例であるバンド
パスフィルタ１１０を示す。バンドパスフィルタ１１０
は、周波数ω１、ω２でそれぞれ共振するよう構成され
た２つのフィルタ１１１、１１２を備えている。フィル
タ１１１、１１２は、それぞれの可動電極１１５、１１
６に印加されるのと同じ交流入力信号１１４を受信す
る。フィルタ１１１、１１２からの出力はオペアンプ１
１３に接続される。
な構成を用いたバンドパスフィルタの一例であるバンド
パスフィルタ１１０を示す。バンドパスフィルタ１１０
は、周波数ω１、ω２でそれぞれ共振するよう構成され
た２つのフィルタ１１１、１１２を備えている。フィル
タ１１１、１１２は、それぞれの可動電極１１５、１１
６に印加されるのと同じ交流入力信号１１４を受信す
る。フィルタ１１１、１１２からの出力はオペアンプ１
１３に接続される。
【００３９】入力信号１１４が可動電極１１５、１１６
に印加された場合、可動電極１１５、１１６は主に、そ
れぞれの共振周波数ω１、ω２に対応する入力信号の周
波数成分に応答する。したがって、フィルタ１１１は、
ω１近傍の周波数成分を通過させてオペアンプ１１３に
供給するとともに、それ以外の周波数成分をブロック
し、フィルタ１１２は、ω２近傍の周波数成分を通過さ
せてオペアンプ１１３に供給するとともに、それ以外の
周波数成分をブロックする。この結果、バンドパスフィ
ルタ１１０からの出力は、フィルタ１１１、１１２から
の出力を加算したものである。
に印加された場合、可動電極１１５、１１６は主に、そ
れぞれの共振周波数ω１、ω２に対応する入力信号の周
波数成分に応答する。したがって、フィルタ１１１は、
ω１近傍の周波数成分を通過させてオペアンプ１１３に
供給するとともに、それ以外の周波数成分をブロック
し、フィルタ１１２は、ω２近傍の周波数成分を通過さ
せてオペアンプ１１３に供給するとともに、それ以外の
周波数成分をブロックする。この結果、バンドパスフィ
ルタ１１０からの出力は、フィルタ１１１、１１２から
の出力を加算したものである。
【００４０】図１７に模式的に示されているように、バ
ンドパスフィルタ１１０の出力には、周波数ω１、ω２
に対応するピーク１２１、１２２が存在するとともに、
周波数ω１と周波数ω２との間の周波数１２３を通過さ
せている。さらに図１７に示されているように、バンド
パスフィルタ１１０は、ω２よりも高い周波数１２４及
びω１より低い周波数１２５をブロックしている。
ンドパスフィルタ１１０の出力には、周波数ω１、ω２
に対応するピーク１２１、１２２が存在するとともに、
周波数ω１と周波数ω２との間の周波数１２３を通過さ
せている。さらに図１７に示されているように、バンド
パスフィルタ１１０は、ω２よりも高い周波数１２４及
びω１より低い周波数１２５をブロックしている。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のように静電的な容量変化を利用せずに、磁気電気
効果を利用して力を検出できる力検出装置を提供するこ
とができる。
従来のように静電的な容量変化を利用せずに、磁気電気
効果を利用して力を検出できる力検出装置を提供するこ
とができる。
【図１】 カンチレバーを含む力検出装置を示す平面図
である。
である。
【図２】 図１に示す力検出装置の側面図である。
【図３】 図１及び図２に示すカンチレバーにおける典
型的な周波数と振幅との関係を示すグラフである。
型的な周波数と振幅との関係を示すグラフである。
【図４】 マイクロホンの一実施例を示す断面図であ
る。
る。
【図５】 マイクロホンの第２の実施例を示す断面図で
ある。
ある。
【図６】 周波数フィルタの一実施例を示す平面図であ
る。
る。
【図７】 図６に示すフィルタの側面図である。
【図８】 周波数フィルタの第２の実施例を示す平面図
である。
である。
【図９】 図８に示すフィルタの側面図である。
【図１０】 周波数フィルタの第３の実施例を示す平面
図である。
図である。
【図１１】 図１０に示すフィルタの側面図である。
【図１２】 周波数フィルタの第４の実施例を示す平面
図である。
図である。
【図１３】 図１２に示すフィルタの側面図である。
【図１４】 周波数フィルタの第５の実施例を示す斜視
図である。
図である。
【図１５】 周波数フィルタの第６の実施例を示す側面
図である。
図である。
【図１６】 図１４に示すフィルタ構成を用いたバンド
パスフィルタの構成を示すブロック図である。
パスフィルタの構成を示すブロック図である。
【図１７】 バンドパスフィルタからの出力における周
波数と振幅との関係を示すグラフである。
波数と振幅との関係を示すグラフである。
１ 力検出装置、２ 支持部、３ カンチレバー（可
動）部材、４ 基板、５センサ支持部、６ 硬磁性薄
膜、７ ＭＲ薄膜、９ バイアス電流、１２…接続用電
極。
動）部材、４ 基板、５センサ支持部、６ 硬磁性薄
膜、７ ＭＲ薄膜、９ バイアス電流、１２…接続用電
極。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 高田 昭夫
シンガポール共和国 117684 シンガポー
ルサイエンスパークＩＩ ジ・アルファ
＃03−08 サイエンスパークロード10 ソ
ニー エレクトロニクス （シンガポー
ル） プライベート リミテッド シンガ
ポールリサーチラボラトリー内
Ｆターム(参考） 2G064 AB04 BD13 BD43
5D021 DD03
Claims (14)
- 【請求項１】 力検出装置において、 基板に配置された磁化部材と、 上記磁化部材により生じた磁場からの影響を受けるよう
上記基板に配置された磁気電気材料体と、 印加された力に応じて変位可能であるよう取り付けられ
た可動部材とを備え、 上記可動部材の動きにより上記磁気電気材料体に影響す
る磁場が変化し、上記可動部材の動きにより生じた上記
磁気電気材料体に影響する磁場変化に応じて、上記磁気
電気材料体の電気的特性が変化することを特徴とする力
検出装置。 - 【請求項２】 上記磁気電気材料体は、磁気抵抗材料で
構成されていることを特徴とする請求項１記載の力検出
装置。 - 【請求項３】 当該力検出装置は、マイクロ電子機械装
置で構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の
力検出装置。 - 【請求項４】 上記磁化部材及び上記磁気電気材料体
は、薄膜形状であることを特徴とする請求項１乃至３の
いずれか１項記載の力検出装置。 - 【請求項５】 上記磁化部材は、上記可動部材に取り付
けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
か１項記載の力検出装置。 - 【請求項６】 上記可動部材は、軟磁性材料を含んでい
ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載
の力検出装置。 - 【請求項７】 上記可動部材は、カンチレバー部材を備
えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１
項記載の力検出装置。 - 【請求項８】 上記可動部材は、直線方向に変位可能な
部材を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のい
ずれか１項記載の力検出装置。 - 【請求項９】 上記可動部材は、ピボット変位可能な部
材を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいず
れか１項記載の力検出装置。 - 【請求項１０】 上記可動部材は、振動力に応じた振動
変位に適応している部材であることを特徴とする請求項
１乃至９のいずれか１項記載の力検出装置。 - 【請求項１１】 上記振動力は、音波の力であることを
特徴とする請求項１０記載の力検出装置。 - 【請求項１２】 請求項１１記載の力検出装置を備える
ことを特徴とするマイクロホン。 - 【請求項１３】 請求項１乃至１１のいずれか１項記載
の力検出装置を備え、 上記可動部材は、共振周波数を有していることを特徴と
する周波数フィルタ。 - 【請求項１４】 請求項１３記載の周波数フィルタを２
つ備え、 上記２つの周波数フィルタは、互いに異なる共振周波数
を有し、上記２つの周波数フィルタの出力が結合されて
いることを特徴とするバンドパスフィルタ。
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